Cristaux liquides

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Exercices
Classe(s) : Tle S | Thème(s) : Matériaux

En 1888, F. Reinitzer étudia certaines propriétés du benzoate de cholestéryle. Il découvrit que ce corps pur, un ester solide à température ambiante, possède deux points de fusion :

  •  à 145°C, l’ester forme un liquide trouble ;
  •  à 178°C, l’ester liquide devient transparent.

En sens inverse, lors du refroidissement on passe d’aborde de la phase fluide transparente à une phase fluide trouble, enfin il y a solidification de l’ester avec formation d’une phase cristalline blanche. Il s’agit de la première mise en évidence de l’existence des cristaux liquides.

C’est un nouvel état de la matière, séparé des états liquide et solide par ce que l’on appelle une transition de phase. On peut considérer qu’un cristal présente un ordre tridimensionnel du fait de l’arrangement de ses constituants, tandis qu’un liquide ne possède aucun ordre particulier. Le cristal liquide, lui, possède un ordre partiel, mais pas dans les 3 dimensions. On parle d’anisotropie du cristal liquide, qui présente 1 ou 2 directions selon lesquelles peuvent s’organiser, avec une certaine régularité, les molécules. Ainsi un cristal liquide peut-il couler comme un liquide, tout en présentant malgré tout des points communs avec les cristaux.

On peut classer les cristaux liquides entre lyotropes et thermotropes :

  •  les lyotropes changent de phase en fonction de la température et des concentrations (voire aussi du solvant) ;
  •  les thermotropes changent de phase en fonction de la température.

Ces cristaux liquides peuvent présenter 3 phases :

  •  La phase nématique : les molécules qui composent la phase nématique sont souvent allongées (molécules organiques) et s’orientent spontanément selon une certaine direction moyenne. Ces molécules étant souvent sensibles aux champs électromagnétiques, elles sont utilisées dans les applications électro-optiques (écrans LCD par exemple).
  •  La phase smectique : les molécules se répartissent en couches parallèles, qui peuvent glisser les unes sur les autres. Dans chaque couche, les molécules ont la même orientation moyenne.
  •  La phase cholestérique : les molécules s’organisent en plans successifs.

Chacun de ces plans contient des molécules s’orientant selon une direction moyenne donnée. Au passage d’un plan à l’autre cette direction tourne légèrement, ce qui permet de définir un pas dit hélicoïdal.

Au final, certains corps purs (souvent des molécules organiques) peuvent présenter plus de deux phases (trois en incluant la phase gazeuse) : une phase solide cristalline, une phase liquide amorphe, mais aussi une phase smectique, une phase nématique et une éventuelle phase cholestérique.

En 1969 fut mis au point le premier corps pur présentant une phase nématique à température ambiante : le MBBA (ou le N-(4-méthoxybenzylidène)-4-butylaniline). Cela a permis la mise au point des premiers écrans à cristaux liquides (ACL ou LCD en anglais). Depuis cette époque, de nombreux autres types de cristaux liquides à température ambiante ont été découverts. Citons :

  •  les esters de cholestérol ;
  •  les imines diversement fonctionnalisées (MMBA par exemple) ;
  •  des polyaromatiques ;
  •  des porphyrines.

En général un LCD utilise des cristaux liquides nématiques.

L’afficheur d’un LCD est constitué dans le principe par deux lames de verre, séparées de quelques micromètres, sur une desquelles sont dessinées les formes des caractères. L’espace vide est rempli de cristal liquide.

L’application entre les deux faces d’une tension de quelques volts le rend absorbant. Les caractères apparaissent sombres sur fond clair. La tension appliquée engendre un champ électrique selon une direction perpendiculaire aux verres, et les nématiques vont s’orienter préférentiellement selon cette direction.

On peut expliquer ces propriétés optiques en disant que la différence de potentiel entre les deux électrodes qui enserrent le cristal liquide entraîne des lignes de discontinuités qui vont être suffisamment larges pour bloquer la lumière, le film de cristal liquide apparaissant alors opaque. C’est cette propriété réversible, qui est utilisée dans les dispositifs LCD.

N’émettant pas de lumière, un afficheur à cristaux liquides réflexif ne peut être utilisé qu’avec un bon éclairage ambiant. Sa lisibilité augmente avec l’éclairage.

Les modèles transmissifs fonctionnent différemment : normalement opaque au repos, le cristal liquide devient transparent lorsqu’il est excité, pour rendre un tel afficheur lisible il est nécessaire de l’éclaire par l’arrière.

Doc. 10 Principe d’une cellule LCD. Un écran est composé de nombreuses cellule de ce type

Les cristaux liquides hélicoïdaux sont utilisés comme indicateurs de température car leur couleur est amenée à varier en fonction de T.

La couleur peut aussi dépendre de l’angle d’observation, d’où leur introduction dans des documents imprimés, les rendant ainsi plus difficiles à imiter.

1. Pourquoi l’existence de deux températures de fusion pour le benzoate de cholestéryle est-elle à priori étonnante ?

2. L’ester étudié par F. Reinitzer, le benzoate de cholestéryle peut être synthétisé à partir d’un alcool et d’un acide. Les nommer.

3. En utilisant le texte, définir le plus précisément possible la notion de transition de phase.

4. Comment, en quelques mots peut-on distinguer la phase solide cristalline de la phase liquide ?

5. Comparez les propriétés de la phase nématique d’un corps pur par rapport à ses phases liquide et solide.

6. Définir la notion d’écran à cristaux liquides rétroéclairé. Quels avantages peut on en attendre ? Quelles en sont les principales applications ?

7. En faisant une recherche documentaire et en utilisant le texte ci-dessus, citez quelques applications courantes des cristaux liquides dans la vie quotidienne.